CN110665117A - 一种植入式康复装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植入式康复装置及其工作方法，包括微控制器，所述微控制器与上位机通讯连接，所述微控制器与外部电源电连接，所述微控制器、上位机、和外部电源设于皮肤外部；皮肤内部植入有充电单元和植入式电极，所述充电单元与所述外部电源无线连接。本发明通过外部电源对植入式电极内的电池进行充电，随后利用植入式电极对躯体施加电刺激，通过状态监测模块监测系统状态，由无线通讯模块传输给微控制器，在上位机上进行显示，采用电源与植入电极分离的方案，有效减小植入设备体积，利用无线充电技术保证供电，具有使用方便、手术风险低、操作控制性好等突出优势。
Description
技术领域
本发明属于康复装置领域，特别涉及一种植入式康复装置及其工作方法。
背景技术
功能性电刺激属于常用的康复治疗手段之一，使用一定强度的低频电脉冲刺激施加于功能出现问题的器官或肢体，进而激活相关的神经系统组织，诱发肌肉收缩使器官或肢体自主运动，从而恢复一定的器官功能或肢体控制，进一步提升康复效果，同时可以防止患病处的骨骼肌和神经萎缩并辅助神经系统重建。
目前常用的功能性电刺激设备可以分为植入式电刺激装置、非植入式电刺激装置和动力辅助装置三种，非植入电极采用经皮电极进行刺激，将个人肌肉组织作为执行机构进行间接刺激，因此缺少实时反馈信号，恢复较慢。
传统的电流植入式电刺激系统由电脉冲发生器、电源、对应处理电路和保护外壳组成，系统通常被植入身体皮下部位，比如锁骨下方、肋骨上皮层、下腹部或上臀部。系统通过电源的供电产生低频脉冲、利用皮下导线将信号传送到目标神经或肌肉位置，完成刺激功能。这种设备在工作时需要电源持续为其供能，因此体积较大，在植入过程中手术创面大，很容易产生伤口感染、肌肉撕裂、电极错位或穿孔等相关问题，增加治疗风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种植入式康复装置及其工作方法，在保证植入电极供电的同时有效的减少了植入电极的体积。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种植入式康复装置，包括微控制器，所述微控制器与上位机通讯连接，所述微控制器与外部电源电连接，所述微控制器、上位机、和外部电源设于皮肤外部；皮肤内部植入有充电单元和植入式电极，所述充电单元与所述外部电源无线连接。
进一步的，皮肤内部还植入有状态监测单元，所述状态监测单元与所述植入式电极连接。
进一步的，上述状态监测单元包括：
电量监测单元，所述电量监测单元包括电量采样电路，所述电量采样电路与所述植入式电极连接；
电压监测单元，所述电压监测单元包括分压电阻，所述分压电阻并联于所述植入式电极的两端；
电流监测单元，所述电流监测单元包括时钟电路和电容采样电路，所述电容采样电路与所述植入式电极连接；
电流波形监测单元，所述电流波形监测单元包括电流值采样单元，所述电流值采样单元与所述植入式电极连接；
数据整合单元，所述数据整合单元分别与所述状态监测单元内其它各监测单元连接。
进一步的，上述状态监测单元还包括：
电极位置校验单元，所述电极位置校验单元包括设于电极内部的位置传感器，所述位置传感器与所述植入式电极中的电极连接；
躯体状态监测单元，所述躯体状态监测单元包括躯体电流采样电路。
进一步的，上述微控制器还与外部通讯单元连接，所述外部通讯单元设于皮肤外部，所述状态监测单元还与内部通讯单元连接，所述内部通讯单元设于皮肤内部。
进一步的，上述外部电源包括依次连接的变压器、整流桥、第一稳压电路、第二稳压电路、DC/DC变压电路和初级线圈，所述变压器与220V交流电源连接，所述初级线圈与所述充电电路无线连接，所述第一稳压电路包括依次串联的负载和稳压二极管，所述第二稳压电路包括三端稳压器。
进一步的，上述充电电路包括均衡电路和次级线圈，所述均衡电路包括充电保护IC，所述初级线圈与逆变器连接，所述次级线圈与所述初级线圈无线连接，所述均衡电路与所述次级线圈串联，所述充电保护IC并联于所述植入式电极的每节电池的两端。
进一步的，上述植入式电极包括串联的超级电容和电极。
进一步的，上述超级电容为双电层电容。
一种植入式康复装置的工作方法，应用上述的植入式康复装置，其特征在于，包括以下步骤：
外部电源通过工频交流电获取稳压直流电，然后通过初级线圈和次级线圈为植入式电极无线充电；
状态监测单元实时采集植入式电极的电池数据包，然后通过内部通讯单元和外部通讯单元反馈至微控制器；
微控制器根据电池数据包调节充电速度和电刺激程度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种植入式康复装置及其工作方法，通过外部电源对植入式电极内的电池进行充电，随后利用植入式电极对躯体施加电刺激，通过状态监测模块监测系统状态，由无线通讯模块传输给微控制器，在上位机上进行显示，采用电源与植入电极分离的方案，有效减小植入设备体积，利用无线充电技术保证供电，具有使用方便、手术风险低、操作控制性好等突出优势。
附图说明
图1为本发明植入式康复装置结构框图。
图2为本发明中外部电源的结构框图。
图3为本发明中充电单元充电流程示意图。
图4为本发明中充电单元分流均衡流程示意图。
图5为本发明中充电单元放电流程示意图。
图6为本发明中超级电容的结构示意图。
图7为本发明中充电和电刺激程度调节的流程图。
附图标记说明：1-隔膜；2-引出电极；3-多孔化电极；4-电解液。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图7所示,在本发明的其中一个实施方式中，一种植入式康复装置，包括微控制器，所述微控制器与上位机通讯连接，所述微控制器与外部电源电连接，所述微控制器、上位机、和外部电源设于皮肤外部；皮肤内部植入有充电单元和植入式电极，所述充电单元与所述外部电源无线连接。
在本实施方式中，植入式康复装置通过外部电源对植入式电极内的电池进行充电，随后利用植入式电极对躯体施加电刺激，通过状态监测模块监测系统状态，由无线通讯模块传输给微控制器，在上位机上进行显示，采用电源与植入电极分离的方案，有效减小植入设备体积，利用无线充电技术保证供电，具有使用方便、手术风险低、操作控制性好等突出优势。
在本发明的其中一个实施方式中，皮肤内部还植入有状态监测单元，所述状态监测单元与所述植入式电极连接。
在本发明的其中一个实施方式中，上述状态监测单元包括：
电量监测单元，所述电量监测单元包括电量采样电路，所述电量采样电路与所述植入式电极连接；
电压监测单元，所述电压监测单元包括分压电阻，所述分压电阻并联于所述植入式电极的两端；
电流监测单元，所述电流检测单元包括时钟电路和电容采样电路，所述电容采样电路与所述植入式电极连接；
电流波形监测单元，所述电流波形监测单元包括电流值采样单元，所述电流值采样单元与所述植入式电极连接；
数据整合单元，所述数据整合单元分别与所述状态监测单元内其它各监测单元连接。
在本发明的其中一个实施方式中，上述状态监测单元还包括：
电极位置校验单元，所述电极位置校验单元包括设于电极内部的位置传感器，所述位置传感器与所述植入式电极中的电极连接；
躯体状态监测单元，所述躯体状态监测单元包括躯体电流采样电路。
在本实施方式中，状态监测模块对电池状态和电极状态进行实时监测，利用内部通讯模块和外部通讯模块将数据传输给微控制器，微控制器读取状态参数，根据这些值对电池充电和电极放电程度进行调节，完成闭环控制，同时将数据传输给上位机进行显示，监测过程如下：
(1)电池电量读取：双电层电容可以直接根据采样电路对当前电容电量进行读取，在读取阵列内所有电容电量后，形成参数数据包，等待传输。
(2)电池电压读取：电压参数利用分压电阻进行计算求得，定时进行更新，在读取阵列内所有电容电量后，形成参数数据包，等待传输。
(3)电池电流读取：电流参数根据电容积分值与时间常数逆推计算，在读取阵列内所有电容电量后，形成参数数据包，等待传输。
(4)电极位置校验：利用电极内置传感器获得电极微位移，当位移超限时，告警标志置一，对电极组所有电极进行校验，完成后输出总结果。
(5)电流波形读取：采样读取每个电极释放电流值，形成数据包，传输后用于波形绘制并作为调节依据。
(6)躯体状态检测：采样读取躯体自身电流，将其转换为活跃状态，形成数据包，等待传输。
(7)无线数据传输：将电池信息数据包和电极信息数据包整理后，通过天线传输给微控制器，微控制器将波形、状态等参数传输给上位机进行显示。
(8)充电调节：微控制器根据收到的充电情况，利用充电控制电路对充电速度进行调节，进行自适应充电。
(9)电刺激程度调节：微控制器根据收到的电极放电情况，利用无线通讯模块对电极传感器进行调节，控制电刺激程度。
在本发明的其中一个实施方式中，上述微控制器还与外部通讯单元连接，所述外部通讯单元设于皮肤外部，所述状态监测单元还与内部通讯单元连接，所述内部通讯单元设于皮肤内部。
在本发明的其中一个实施方式中，上述外部电源包括依次连接的变压器、整流桥、第一稳压电路、第二稳压电路、DC/DC变压电路和初级线圈，所述变压器与220V交流电源连接，所述初级线圈与所述充电电路无线连接，所述第一稳压电路包括依次串联的负载和稳压二极管，所述第二稳压电路包括三端稳压器。
在本实施方式中，电源模块利用输入工频交流电获得稳定低压直流电，为微控制器、充电和通讯部分进行供电，电源模块由变压器、整流桥、一级稳压电路、二级稳压电路和DC/DC转换芯片组成，其原理如图2所示，电源供电包含以下步骤：
(1)变压器降压：220V工频交流电经过变压器线圈进行降压，转换为低压交流电，为保护外部电源，变压器输入端经过一个保险连接电源插头；
(2)低电压整流：低压交流电经整流桥转换为直流电，整流桥由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后得到的直流电源电压波动很大，通过在桥端并联电解电容控制电压波动范围。
(3)第一级稳压：整流输出端一般输出9V电压，其波动范围最大为11V，电压过大，在后端采用“负载+稳压二极管”串联结构进行分压。
(4)第二级稳压：对一级稳压信号进行精密调整，采用三端稳压器控制恒压输出，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。
(5)DC/DC电压转换：系统各个模块需要电压不同，利用DC/DC器件对原始直流电压进行降压，满足通讯、充电和控制模块的需要。
在本发明的其中一个实施方式中，上述充电电路包括均衡电路和次级线圈，所述均衡电路包括充电保护IC，所述初级线圈与逆变器连接，所述次级线圈与所述初级线圈无线连接，所述均衡电路与所述次级线圈串联，所述充电保护IC 并联于所述植入式电极的每节电池的两端。
在本实施方式中，无线充电模块利用电源电能，通过磁感应方式向电池进行充电，无线充电模块包括逆变器、初级线圈、次级线圈和均衡电路，无线充电包含以下步骤：
(1)逆变器交流转换：电源直流恒压经逆变器转为交流电，供给线圈用于充电。
(2)充电线圈充电：充电线圈分为初级和次级线圈，二者通过磁感应方式完成单向能量交换过程(电源->电池)。
(3)均衡电路充放电保护：均衡电路用于控制多节电池充放电的选择策略，保护电池网络负载均衡。
系统中控制电路部分单节电池保护芯片的充电过电压保护控制信号经光耦隔离后并联输出，为主电路中充电开关器件的导通提供栅极电压；如某一节或几节电池在充电过程中先进入过电压保护状态，则由过电压保护信号控制并联在单节电池正负极两端的分流放电支路放电，同时将串接在充电回路中的对应单体电池断离出充电回路。
电池组串联充电时，忽略单节电池容量差别的影响，一般内阻较小的电池先充满。此时，相应的过电压保护信号控制分流放电支路的开关器件闭合，在原电池两端并联上一个分流电阻。根据电池的PNGV等效电路模型，此时分流支路电阻相当于先充满的单节电池的负载，该电池通过其放电，使电池端电压维持在充满状态附近一个极小的范围内。假设第1节电池先充电完成，进入过电压保护状态，则主电路及分流放电支路中电流流向如图4所示。当所有单节电池均充电进入过电压保护状态时，全部单节电池电压大小在误差范围内完全相等，各节保护芯片充电保护控制信号均变低，无法为主电路中的充电控制开关器件提供栅极偏压，使其关断，主回路断开，即实现均衡充电，充电过程完成。当电池组放电时，外接负载分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，放电电流流经电池组负极BAT-、充电控制开关器件、放电控制开关器件、电池组中单节电池和电池组正极BAT+,电流流向如图5所示。系统中控制电路部分单节电池保护芯片的放电欠电压保护、过流和短路保护控制信号经光耦隔离后串联输出，为主电路中放电开关器件的导通提供栅极电压；一旦电池组在放电过程中遇到单节电池欠电压或者过流和短路等特殊情况，对应的单节电池放电保护控制信号变低，无法为主电路中的放电控制开关器件提供栅极电压，使其关断，主回路断开，即结束放电使用过程。电池采用恒流-恒压(TAPER)型充电控制，恒压充电时，充电电流近似指数规律减小。
在本发明的其中一个实施方式中，上述植入式电极包括串联的超级电容和电极。
在本发明的其中一个实施方式中，上述超级电容为双电层电容。
在本实施方式中，为保证装置植入部分的小型化、轻质化，系统电池采用高能量密度的超级电容作为供电电源，超级电容器在结构上他们都包含一个正极，
系统使用的超级电容属于双电层电容，其是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，双电层电容利用该原理完成充放电过程。
在本发明的其中一个实施方式中，一种植入式康复装置的工作方法，应用上述的植入式康复装置，其特征在于，包括以下步骤：
外部电源通过工频交流电获取稳压直流电，然后通过初级线圈和次级线圈为植入式电极无线充电；
状态监测单元实时采集植入式电极的电池数据包，然后通过内部通讯单元和外部通讯单元反馈至微控制器；
微控制器根据电池数据包调节充电速度和电刺激程度。
综上所述，本发明具有以下优点：
(1)充电速度快，电池循环使用寿命长。无线充电10分钟可达到其额定容量的90％以上，深度充放电循环使用次数可达10万次，不存在记忆效应，在完成辅助康复功能前电池无需更换，使用方便。
(2)系统放电能力强，能量转换效率高，过程损失小，功耗低，大电流下能量循环效率≥80％，同时具有较高的能量密度，在保证功能前提下体积小、植入过程创面小，更安全。
(3)系统原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，都为生物相容性材料，不会对病人造成严重的排异反应，不会产生二次污染。
(4)系统电路简单，无需过于复杂的充电电路，安全系数高，长期使用不需要维护，相比其他植入设备检测方便，电池电量、电压、波形和躯体状态可直接读出，利于病人的 监测和辅助诊疗；
(5)温度特性好，温度范围宽-40℃～+70℃，不会因环境变化产生迅速掉电情况，可 在野外、低温室等极端环境使用；
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种植入式康复装置，其特征在于：包括微控制器，所述微控制器与上位机通讯连接，所述微控制器与外部电源电连接，所述微控制器、上位机、和外部电源设于皮肤外部；皮肤内部植入有充电单元和植入式电极，所述充电单元与所述外部电源无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种植入式康复装置，其特征在于:皮肤内部还植入有状态监测单元，所述状态监测单元与所述植入式电极连接。
3.根据权利要求2所述的一种植入式康复装置，其特征在于，所述状态监测单元包括：
电量监测单元，所述电量监测单元包括电量采样电路，所述电量采样电路与所述植入式电极连接；
电压监测单元，所述电压监测单元包括分压电阻，所述分压电阻并联于所述植入式电极的两端；
电流监测单元，所述电流监测单元包括时钟电路和电容采样电路，所述电容采样电路与所述植入式电极连接；
电流波形监测单元，所述电流波形监测单元包括电流值采样单元，所述电流值采样单元与所述植入式电极连接；
数据整合单元，所述数据整合单元分别与所述状态监测单元内其它各监测单元连接。
4.根据权利要求3所述的一种植入式康复装置，其特征在于:所述状态监测单元还包括：
电极位置校验单元，所述电极位置校验单元包括设于电极内部的位置传感器，所述位置传感器与所述植入式电极中的电极连接；
躯体状态监测单元，所述躯体状态监测单元包括躯体电流采样电路。
5.根据权利要求2或4所述的一种植入式康复装置，其特征在于:所述微控制器还与外部通讯单元连接，所述外部通讯单元设于皮肤外部，所述状态监测单元还与内部通讯单元连接，所述内部通讯单元设于皮肤内部。
6.根据权利要求1所述的一种植入式康复装置，其特征在于:所述外部电源包括依次连接的变压器、整流桥、第一稳压电路、第二稳压电路、DC/DC变压电路和初级线圈，所述变压器与220V交流电源连接，所述初级线圈与所述充电电路无线连接，所述第一稳压电路包括依次串联的负载和稳压二极管，所述第二稳压电路包括三端稳压器。
7.根据权利要求6所述的一种植入式康复装置，其特征在于:所述充电电路包括均衡电路和次级线圈，所述均衡电路包括充电保护IC，所述初级线圈与逆变器连接，所述次级线圈与所述初级线圈无线连接，所述均衡电路与所述次级线圈串联，所述充电保护IC并联于所述植入式电极的每节电池的两端。
8.根据权利要求1所述的一种植入式康复装置，其特征在于:所述植入式电极包括串联的超级电容和电极。
9.根据权利要求8所述的一种植入式康复装置，其特征在于:所述超级电容为双电层电容。
10.一种植入式康复装置的工作方法，应用权利要求1-9中任一项所述的植入式康复装置，其特征在于，包括以下步骤：
外部电源通过工频交流电获取稳压直流电，然后通过初级线圈和次级线圈为植入式电极无线充电；
状态监测单元实时采集植入式电极的电池数据包，然后通过内部通讯单元和外部通讯单元反馈至微控制器；
微控制器根据电池数据包调节充电速度和电刺激程度。
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